軌道電路繼電器鐵芯自動疊鉚技術(shù)的探究

李學(xué)強(qiáng)

(西安鐵路信號有限責(zé)任公司，西安 710048)

1 概述

交流二元二位繼電器廣泛應(yīng)用于交流電氣化區(qū)段內(nèi)的車站軌道電路中，該繼電器由電磁系統(tǒng)、接點(diǎn)系統(tǒng)等構(gòu)成。其中電磁系統(tǒng)由局部磁路、軌道磁路等部件組成，這兩部件是此類繼電器的核心部件，對其特性起決定性作用。

伴隨著鐵路建設(shè)的強(qiáng)力推動，繼電器需求呈逐年增加趨勢，給西安鐵路信號有限責(zé)任公司(簡稱公司)的生產(chǎn)能力提出更高要求。一直以來沿用單機(jī)多工位的復(fù)合模沖壓工藝加工局部鐵芯的零件，分別是局部長片、局部短片，如圖1、2所示，然后再采用手工插片的方式組裝成鐵芯，存在工序流程長，材料利用率低，人工插片過程產(chǎn)生的廢品多等缺陷。為此公司通過對沖剪工藝進(jìn)行探究，結(jié)合軌道電路繼電器的產(chǎn)品特點(diǎn)及技術(shù)要求，將沖模自動疊鉚工藝推廣應(yīng)用到軌道電路繼電器局部鐵芯的生產(chǎn)制造中，從而提高材料利用率和生產(chǎn)效率，徹底消除手工插片過程產(chǎn)生廢品的一個(gè)源頭，同時(shí)消除人工插片過程的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 局部長片F(xiàn)ig.1 Long metal sheet

圖2 局部短片F(xiàn)ig.2 Short metal sheet

2 技術(shù)要求

以精益化生產(chǎn)的原則為導(dǎo)向，本著以最低的成本進(jìn)行工藝改進(jìn)，優(yōu)先在公司現(xiàn)有的壓力機(jī)上實(shí)現(xiàn)一模出兩種件，分別沖壓疊鉚局部長、短片組件的加工，疊鉚組件、廢料從模具下方分開漏出；設(shè)備為JH21-125開式固定臺壓力機(jī)，配有校平、自動送料機(jī)構(gòu)，最大沖裁噸位為125 t，工作臺面尺寸740×1 300 mm ，最大裝模高度為350 mm，調(diào)節(jié)量80 mm。沖裁材料為電工硅鋼帶，厚度0.35 mm。模具結(jié)構(gòu)采用零件落料的沖壓方式，模具總壽命不低于4 000萬次，刃磨沖次不低于200萬次，凹模為整體式結(jié)構(gòu)，凸模為壓板固定式，帶誤送檢測裝置。

疊鉚組件的厚度控制在28 mm以內(nèi)，疊片的數(shù)量在78至80片之間，局部長片按斜口左右交叉疊放，局部短片按斜口左右交叉疊放，疊鉚整齊，扣點(diǎn)鉚接牢固，局部長、短片的數(shù)量要保持一致，扣點(diǎn)的方向和磁場的方向一致，經(jīng)疊鉚后的局部長片鐵芯組件和局部短片鐵芯組件要能互相插入，疊鉚結(jié)合力達(dá)到50 N以上。

3 局部鐵芯疊鉚排樣及分析

局部鐵芯原工藝是采用手工插片將局部長片、局部短片交叉，一正一反疊裝而成，為減小磁路內(nèi)磁阻，每層只有一個(gè)接縫，而相鄰層的接縫方向不同。根據(jù)局部長片、短片的結(jié)構(gòu)尺寸要求，按局部鐵芯的相關(guān)指標(biāo)，確定鐵芯的沖壓工藝排樣圖。因生產(chǎn)量大，為提高材料利用率，采用套裁排樣。按照優(yōu)先保證沖裁質(zhì)量要求的原則，優(yōu)先確定材料規(guī)格為寬78 mm的電工硅鋼帶盤圓，模具排樣圖為11個(gè)工位，步距為48 mm，如圖3所示。第1工位：沖孔，中心孔，即導(dǎo)向孔；第2工位：沖孔，沖局部短片斜口；第3工位：空工位或沖局部短片斜口；第4工位：沖局部長片斜口；第5工位：空工位或者沖局部長片斜口；第6工位：空工位；第7工位：空工位；第8工位：沖疊鉚孔并疊鉚、分組，局部短片鐵芯落料；第9工位：空工位；第10工位：空工位；第11工位：沖疊鉚孔并疊鉚、分組，局部長片鐵芯落料；其中沖局部短片斜口工位和沖局部長片斜口工位是交替循環(huán)工作。當(dāng)?shù)?工位沖局部短片斜口時(shí)，第3工位為空工位；接著當(dāng)?shù)?工位沖局部短片斜口時(shí)，第2工位為空工位；兩工位始終只能有一個(gè)工位工作，有一個(gè)工位是空工位。局部長片斜口工位在第4、第5工位完成，其工作原理與第2、第3工位相同。

圖3 工藝排樣圖Fig.3 Design for Stamping

4 疊鉚模具的設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)要求和疊鉚排樣及分析，公司進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行優(yōu)化，最終選擇梯形疊鉚扣點(diǎn)的全密疊式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。通過調(diào)整疊鉚扣點(diǎn)的過盈量來保證局部鐵芯的疊鉚強(qiáng)度，最終通過落料的方式輸出局部鐵芯疊鉚組件，如圖5所示。在安全方面，設(shè)置有導(dǎo)正釘、誤送檢測機(jī)構(gòu)、側(cè)壓機(jī)構(gòu)、限位柱等機(jī)構(gòu)，以免出現(xiàn)送料不到位引起、行程超限等故障。在模具采用三板式結(jié)構(gòu)，4根滾珠導(dǎo)柱導(dǎo)向的方式，保證了模具的精度和使用的平穩(wěn)性及可靠性。凹模采用鑲塊式結(jié)構(gòu)，便于模具的維修和備件的更換。在凸凹模的材料選取上，公司優(yōu)先選擇適合于加工薄材下料及成形的瑞典壹勝百ASP-23，并經(jīng)過深冷處理，使其材料的性能得到明顯的提升，良好的剛度和強(qiáng)度使得該沖模能滿足在高速沖床上的生產(chǎn)需求。

圖4 梯形疊鉚點(diǎn)Fig.4 A trapezoid dent for lamination

圖5 疊鉚結(jié)合Fig.5 Lamination

局部鐵芯扣點(diǎn)位置：根據(jù)局部鐵芯零件局部長片、局部短片的幾何形狀，設(shè)計(jì)局部鐵芯疊鉚點(diǎn)的位置、疊鉚點(diǎn)的數(shù)量及大小以滿足疊鉚扣點(diǎn)的結(jié)合力不小于50 N的要求，同時(shí)考慮到局部鐵芯的磁場分布曲線，使疊鉚扣點(diǎn)的方向和磁場方向保持一致，不得切割磁場方向，并且優(yōu)先考慮局部鐵芯組件對磁性能的要求，最終確定的疊鉚扣點(diǎn)位置及方向在局部鐵芯長片、短片上對稱均勻分布。疊鉚扣點(diǎn)的尺寸為：長4 mm，寬1 mm，局部長片上4個(gè)梯形扣點(diǎn)，局部短片上布置2個(gè)梯形扣點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 局部長片、短片疊鉚扣點(diǎn)布置圖Fig.6 Layout of dents for the lamination of long and short metal sheets

局部鐵芯斜口交替沖裁機(jī)構(gòu)：要求疊鉚后的局部鐵芯長片組件和局部鐵芯短片組件要能互相插入，由于局部長片和局部短片的接口部位呈斜口，局部長片、短片的疊放順序必須交叉疊鉚或一正一反疊鉚，再加上毛刺方向的影響，在模具中設(shè)置了斜口交替循環(huán)沖裁裝置，沖局部短片斜口工位和沖局部長片斜口工位是交替循環(huán)工作。如：當(dāng)?shù)?工位沖局部短片斜口時(shí)，第3工位就是空工位；接著當(dāng)?shù)?工位沖局部短片斜口時(shí)，第2工位為空工位；兩工位始終只能有一個(gè)工位工作，有一個(gè)工位是空工位。局部長片斜口工位在第4、5工位完成，其工作原理與第2、3工位相同。

局部鐵芯疊鉚計(jì)數(shù)分組原理：疊鉚沖模按照工藝排樣圖依此沖裁，在第8工位進(jìn)行局部短片鐵芯組件的落料、疊鉚、計(jì)數(shù)分組的功能。每個(gè)組件的第一個(gè)疊片扣點(diǎn)是全沖透的，通過活動式抽板機(jī)構(gòu)，安裝在凸模上，由電器單元控制其動作。一方面使局部短片的疊鉚點(diǎn)上達(dá)到計(jì)量孔被沖穿的目的，實(shí)現(xiàn)局部鐵芯疊鉚厚度、計(jì)數(shù)分組的要求；另一方面是為了將第二個(gè)疊片的疊鉚扣點(diǎn)凸起部分嵌入到第一個(gè)疊片中，經(jīng)過沖壓且不超出第一個(gè)疊片的厚度，在沖壓的過程中，第一個(gè)疊片通過和下模之間的摩擦產(chǎn)生反作用力將兩個(gè)局部短片疊鉚在一起，并且在第二個(gè)疊片中形成一個(gè)凹形腔，然后依次將后一個(gè)疊片的凸起部分壓入到下一個(gè)疊片凹形腔中，依此循環(huán)沖鉚，最終疊鉚成一個(gè)緊密排列、毛刺方向一致、具有一定高度的局部鐵芯短片組件。第11工位為局部鐵芯長片組件，其工作原理和第8工位相同。最終實(shí)現(xiàn)了在一付模具內(nèi)同時(shí)出兩個(gè)組件的功能。模具如圖7所示。

5 成果分析

經(jīng)對比，軌道電路繼電器鐵芯自動疊鉚沖模具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：局部鐵芯疊鉚組件的加工精度和一致性較高，同時(shí)還減輕后面磨工序的工作量；沖模帶有安全保護(hù)裝置及側(cè)壓裝置，可靠性高；凸凹模的材料選用瑞典壹勝百ASP-23，并進(jìn)行深冷處理，使其材料性能得到明顯的提升，良好的剛度和強(qiáng)度使得該沖模能滿足在高速沖床上的生產(chǎn)需求，模具沖次可以在100次/分鐘以上，延長了模具壽命。

從材料利用率、生產(chǎn)效率、后期維護(hù)這3個(gè)因素對工藝改進(jìn)前后做比較，其中材料成本和生產(chǎn)效率的效果相當(dāng)明顯，由于排料及加工方式的改變，使得材料利用率提高20%，生產(chǎn)效率可提高8倍。改進(jìn)前模具年修模次數(shù)在10～12次，年修模成本大概需1.44萬。新制模具每200萬沖次修模一次，需0.2萬元/次，年修模成本需0.4萬，相比之下后期維護(hù)成本明顯降低。

圖7 局部鐵芯自動疊鉚模具圖Fig.7 Design of the die for automatic lamination for relay cores

6 結(jié)論

通過對沖模自動疊鉚工藝的研究，將該工藝技術(shù)應(yīng)用到軌道電路繼電器局部鐵芯的生產(chǎn)當(dāng)中，在模具內(nèi)實(shí)現(xiàn)零件的沖壓成形、疊鉚、計(jì)數(shù)分組等功能，有效集中了工序，降低了工序的流轉(zhuǎn)成本，提高了材料的利用率和生產(chǎn)效率，完全符合公司提倡的精益化生產(chǎn)要求。另外，徹底消除了人工插片工序過程中產(chǎn)生廢品的一個(gè)源頭，以及人工插片過程中的一個(gè)危險(xiǎn)源。

解決生產(chǎn)實(shí)際問題的同時(shí)還帶來附加價(jià)值，通過鐵芯自動疊鉚工藝的探究，使得公司在沖壓方面的工藝水平得到提升，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)做好了準(zhǔn)備，同時(shí)減輕了工人的勞動強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境，為提高軌道電路繼電器產(chǎn)品整機(jī)的性能打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。